Przegląd Urologiczny 2017/1 (101) wersja do druku | skomentuj ten artykuł | szybkie odnośniki
 
strona główna > archiwum > Przegląd Urologiczny 2017/1 (101) > Rola gospodarza i patogenu w zakażeniu układu...

Rola gospodarza i patogenu w zakażeniu układu moczowego

Opracowano na podstawie: Köves B, Wullt B. The Roles of the Host and the Pathogens in Urinary Tract Infections. European Urology Supplements 2015; 15(4): 88-94.

Ciężkość zakażeń układu moczowego (ZUM) jest wypadkową zjadliwości patogenów odpowiedzialnych za infekcję i mechanizmów obronnych gospodarza. Wirulencja bakterii jest determinowana przez wiele czynników, z których najistotniejszym jest zdolność przylegania do nabłonka dróg moczowych (urotelium) oraz dodatkowo zdolność do produkcji toksyn i formowania biofilmu. Jednak w przypadku pacjentów z obniżoną odpornością lub poważnymi zaburzeniami dróg moczowych znaczenie czynników zjadliwości drobnoustroju jest minimalne. Obrona przeciwbakteryjna gospodarza w układzie moczowym jest w głównej mierze zależna od mechanizmów wrodzonej odporności. Rola odporności nabytej związanej z prezentacją antygenów i produkcją przeciwciał nie jest istotna w przebiegu ostrych ZUM. Ostatnie badania wykazały, że osobnicza wrażliwość na ZUM i uszkodzenie nerek zależy nie tylko od nieprawidłowości anatomicznych dróg moczowych, ale też od polimorfizmu genów kodujących białka receptorowe i sygnałowe związane z wrodzonymi mechanizmami odporności. Dalsza identyfikacja mechanizmów molekularnych występujących w przebiegu ZUM może spowodować rozwój nowych metod leczenia.

Wstęp

ZUM są jedną z najczęstszych infekcji zarówno pozaszpitalnych, jak i związanych z opieką zdrowotną. Z tego powodu stanowią istotny problem medyczny, społeczny oraz ekonomiczny. ZUM może występować jako ostra objawowa infekcja o różnej ciężkości i różnym umiejscowieniu (zapalenie pęcherza moczowego, odmiedniczkowe zapalenie nerek), a także jako bezobjawowe nosicielstwo - bakteriuria bezobjawowa (ABU). Przebieg choroby zależy od równowagi między zjadliwością bakterii a wydolnością mechanizmów immunologicznych gospodarza.

Najczęstszym czynnikiem etiologicznym ZUM jest Eschericha coli ( E. coli). Determinanty molekularne zjadliwości tej bakterii stanowiły przedmiot licznych badań. Wykazano, że infekcja rozpoczyna się od kontaktu z tkanką i adhezji do powierzchni komórek, następnie, po licznych etapach pośrednich, kończy się przez usunięcie bakterii lub rozwój stadium przewlekłego. Zidentyfikowane czynniki zjadliwości E. coli obejmują ekspresję lipopolisacharydu (LPS), fimbrii, sideroforów oraz produkcję toksyn.

Od dawna wiadomo, że równie istotną rolę w rozwoju ZUM odgrywają czynniki związane z gospodarzem. Wielokrotnie wykazano, że dysfunkcja dróg moczowych zwiększa ryzyko ZUM wywoływane przez szczepy E. coli o mniejszej zjadliwości niż odpowiedzialne za zakażenia u pacjentów bez istotnych patologii funkcjonalnych. Odpowiedź immunologiczna występująca w przebiegu ostrego ZUM jest oparta głównie na mechanizmach odporności wrodzonej, a w znacznie mniejszym stopniu na odpowiedzi nabytej - stymulacji limfocytów T i limfocytów B oraz produkcji przeciwciał. Co więcej, ostatnie badania wykazały, że podatność na rozwój ZUM może być wynikiem polimorfizmu genetycznego, wywołującego zaburzenia receptorów odgrywających kluczową rolę w procesach odporności wrodzonej.

Bakteryjne determinanty ZUM

Uropatogeny

Większość przypadków ZUM jest wywołana przez bakterie Gram-ujemne, stanowiące fizjologiczną florę jelitową pacjentów. Pierwotne uropatogeny są drobnoustrojami o udowodnionym potencjale do wywołania ZUM u pacjentów bez innych obciążeń. Wtórne uropatogeny mają mniejszy potencjał infekcyjny, ale mogą kolonizować cewkę moczową. U pacjentów bez zaburzeń dróg moczowych główną rolę w rozwoju ZUM odgrywają pierwotne uropatogeny. Jednak wśród pacjentów obciążonych chorobami przewlekłymi lub z istniejącymi zaburzeniami układu moczowego wzrasta znaczenie patogenów wtórnych.

Tabela 1
Charakterystyka najczęściej występujących uropatogenów

ZUM jest z reguły wywołane przez infekcję pojedynczym patogenem, sporadycznie przez koinfekcję. Izolacja więcej niż 2 patogenów w posiewie moczu świadczy zwykle o kontaminacji próbki i wymaga potwierdzenia wyniku ponownym badaniem. Wzrost kilku szczepów może występować u pacjentów przewlekle cewnikowanych lub z przetoką jelitowo-pęcherzową. Najczęstszym drobnoustrojem odpowiedzialnym za ZUM jest E. coli, która powoduje 70-95% niepowikłanych infekcji. Ta właściwość spowodowała uznanie bakterii za model wykorzystywany w badaniach naukowych. Rzadszymi patogenami są Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae) i Proteus mirabilis ( P. mirabilis), odpowiadające za około 5% niepowikłanych zakażeń. Istotną właściwością P. mirabilis jest produkcja ureazy, enzymu rozkładającego mocznik do amoniaku i dwutlenku węgla. Proces powoduje wzrost pH moczu, promując formowanie złogów struwitowych. Enterococcus faecalis ( E. faecalis) jest najczęstszym Gram-dodatnim uropatogenem, wywołującym około 10% ZUM (tab. 1).

Czynniki odpowiedzialne za wirulencję bakterii

Czynniki wirulencji wzmacniają potencjał mikroorganizmów do bytowania i rozmnażania w organizmie gospodarza. Kluczowe czynniki zjadliwości uropatogennych szczepów E. coli (UPEC) zapewniają oporność drobnoustroju względem mechanizmów odporności gospodarza. Co więcej, patogenne szczepy mogą wytwarzać cząsteczki, które w sposób czynny hamują odpowiedź immunologiczną, umożliwiając większe uszkodzenie tkanek. Wspomniane czynniki wirulencji są kodowane przez geny skupione w tzw. wyspach patogenności, co pozwala na zależną od aktualnych potrzeb aktywację i dezaktywację w przebiegu infekcji.

Czynniki odpowiedzialne za przyleganie Przyleganie bakterii do urotelium jest możliwe dzięki obecności na ich powierzchni włosowatych organelli - fimbrii. Są one kluczowym czynnikiem zjadliwości. Szczepy bakteryjne izolowane z przewodu pokarmowego, z moczu pacjentów z bezobjawową bakteriurią oraz odmiedniczkowym zapaleniem nerek w istotny sposób różną się pod względem ekspresji czynników adhezyjnych. Spośród nich największe znaczenie w infekcji mają fimbrie P oraz fimbrie typu 1. Pozostałe czynniki przylegania są mniej poznane, a ich rola w procesie zakażenia nie została w przekonujący sposób potwierdzona.

Fimbrie P są kodowane przez zespół genów Pap. Adhezyna PapG jest zlokalizowana na dystalnym końcu fimbrii. Zapewnia ona umocowanie do komórek urotelium przez związanie z receptorem glikosfingolipidowym. Interakcja powoduje aktywację układu odpornościowego gospodarza. W badaniach epidemiologicznych wykazano, że szczepy wywołujące odmiedniczkowe zapalenie nerek w ponad 90% wykazują ekspresję fimbrii P, co więcej, stwierdzono, że ich obecność jest wykrywana w <20% szczepów wywołujących bezobjawowy bakteriomocz. W przypadku bakterii odpowiedzialnych za objawowe zapalenie pęcherza moczowego ekspresję fimbrii P określa się na około 1/3.

Kolejne odkrycia zostały poczynione w trakcie badań nad pacjentami z nawracającymi ZUM. W warunkach eksperymentalnych wprowadzono pacjentom z badanej grupy niepatogenny szczep E. coli (E. coli 83972) do dróg moczowych. Działanie to spowodowało kolonizację dróg moczowych i ustąpienie objawów klinicznych. Dalsze doświadczenia udowodniły, że obecność fimbrii P ułatwia rozwój bakterii w układzie moczowym oraz powoduje aktywację układu odpornościowego, mediowaną przez interakcję adhezyny G z receptorem zlokalizowanym w nabłonku urotelialnym. Te doniesienia ukonstytuowały rolę fimbrii P jako najistotniejszego niezależnego czynnika ryzyka rozwoju zakażenia układu moczowego.

Fimbrie typu 1 są kodowane przez zespół genów FIM i występują u większości szczepów E. coli, niezależnie od źródła izolacji. Do tej pory nie wykazano istotnej korelacji między ekspresją fimbrii typu 1 a ciężkością przebiegu ZUM u ludzi. Typową adhezyną występującą wzdłuż przebiegu i na końcu fimbrii typu 1 jest FimH. W przeciwieństwie do adhezyny PapG, nie wiąże się ona ze ściśle określonym receptorem, lecz może reagować z różnymi epitopami mannozowymi komórek urotelialnych. Badania doświadczalne wykazały, że adhezja bakterii do urotelium mediowana przez FimH może prowadzić do tworzenia wewnątrzkomórkowych skupisk bakteryjnych (intercellular bacterial communities - IBC) oraz wewnątrzkomórkowych rezerwuarów bakteryjnych (quiescent intracellular reservoirs - QIR), co zmniejsza skuteczność leczenia i zwiększa ryzyko nawrotu choroby. Warto nadmienić, że do dziś powyższe wyniki nie zostały w pełni potwierdzone w badaniach in vivo wśród ludzi.

Wyniki eksperymentów dotyczących wpływu fimbrii typu 1 na zjadliwość drobnoustroju były niejednoznaczne. Z jednej strony ekspresja fimbrii typu 1 pozwala wyróżnić najbardziej zjadliwe bakterie jednego szczepu (O1K1H7), a ich usunięcie atenuuje E. coli w modelu zwierzęcym. Z drugiej strony podobne działanie u ludzi nie zostało dotychczas udowodnione. Co więcej, ekspresja fimbrii typu 1 zachodzi u praktycznie wszystkich szczepów E. coli, co było przyczyną opracowania szczepionki opartej na epitopie FimH. Niestety, badania kliniczne nie potwierdziły jej skuteczności. Podobne podstawy stały za próbą zablokowania antygenu FimH przez alfa-D-mannozę, jednak i w tym przypadku nie stwierdzono skuteczności terapii.

Flagellacja

Wici (łac. flagellum) są organellami filamentowymi umocowanymi do powierzchni bakterii. Włókno wici, zbudowane z polimeru flagelliny, jest poruszane przez struktury zlokalizowane w błonie komórkowej, zwiększając mobilność drobnoustroju. Badacze sugerują, że obecność wici może być traktowana jako czynnik zjadliwości, który umożliwia wybranym szczepom łatwiejszy dostęp do środków odżywczych oraz usprawnia pasaż do górnych dróg moczowych.

Lipopolisacharyd (LPS)

LPS jest składnikiem błony zewnętrznej bakterii Gram-ujemnych, zapewniającym ich strukturalną integralność. Ponadto LPS ma wysoce immunogenne właściwości, silnie indukując stan zapalny. W przebiegu posocznicy wywołanej przez bakterie Gram-ujemne, oddziaływanie LPS jest główną przyczyną rozwoju wstrząsu septycznego. Cząsteczka składa się z 3 kowalencyjnie połączonych elementów, są to: wewnętrzny dwucukier związany z resztą kwasu tłuszczowego (lipid A) wykazujący właściwości endotoksyny, oligosacharydowy rdzeń oraz zewnętrzny łańcuch węglowodanowy (antygen O). W badaniach nad funkcją LPS wykazano współdziałanie z innymi czynnikami wirulencji (np. zależne od LPS toksyczne działanie hemolizyny na błony komórkowe gospodarza) oraz właściwość ochronną przed aktywnością układu odpornościowego.

Toksyny

Toksyny bakteryjne ułatwiają rozwój zakażenia przez bezpośrednie uszkadzanie tkanek gospodarza lub upośledzenie odpowiedzi immunologicznej. Wiele szczepów UPEC wykazuje sekrecję toksyn zapewniających przetrwanie mikroorganizmów i ułatwienie rozwoju infekcji w układzie moczowym.

Hemolizyna (HlyA) powoduje powstanie otworów w błonach komórkowych gospodarza, wywołując uszkodzenie komórek. Jej ekspresję potwierdzono u 5-15% szczepów niepatogennych lub wywołujących bezobjawową bakteriurię oraz u 30-50% szczepów UPEC. HlyA ponadto hamuje chemotaksję i fagocytozę granulocytów, a także indukuje ich apoptozę, zapewniając przetrwanie drobnoustrojów. Kolejną istotną toksyną jest cytotoksyczny czynnik nekrotyzujący 1 (CNF1) występujący w 1-10% izolatów z przewodu pokarmowego, 14% szczepów wywołujących ABU oraz nawet 30% szczepów UPEC. CNF1 wywołuje apoptozę komórek urotelialnych oraz hamuje aktywność chemotaktyczną i fagocytarną neutrofili.

Biofilm

Biofilm stanowi populację bakterii otoczonych przez macierz złożoną z mukopolisacharydów, białek, kwasów nukleinowych i materii nieorganicznej, przylegającą do określonej powierzchni. W drogach moczowych utworzenie biofilmu uniemożliwia penetrację komórek układu odpornościowego oraz ogranicza stężenia antybiotyków. Biofilm ma zasadnicze znaczenie w kolonizacji ciał obcych, takich jak cewniki lub stenty. W takiej sytuacji bakterie mają zapewnione stabilne warunki do rozwoju mimo leczenia przeciwdrobnoustrojowego. Jest to główna przyczyna występowania bakteriurii spotykanej u pacjentów przewlekle cewnikowanych. W badaniach in vitro dowiedziono, że szczepy wywołujące bezobjawową bakteriurię o wiele łatwiej formują strukturę biofilmu w porównaniu ze szczepami odpowiedzialnymi za ostre odmiedniczkowe zapalenie nerek. Ponadto stwierdzono, że umiejętność tworzenia biofilmu przez określony szczep zwiększa ryzyko nawrotu zapalenia nerek w populacji dziecięcej.

System syderoforów

Metabolizm E.coli jest uzależniony od poboru jonów żelaza ze środowiska. Z uwagi na niskie stężenie jonów żelaza w moczu bakteria musi mieć wydolny mechanizm wychwytu, zbudowany z systemu syderoforów. Ekspresja efektywnego systemu poboru stanowi element premiujący przetrwanie bakterii w drogach moczowych. To odkrycie spowodowało rozpoczęcie prac nad szczepionkami, wykorzystującymi jako antygen receptory żelaza.

Rola gospodarza w zakażeniach układu moczowego

Ogólne czynniki ryzyka

Układ moczowy zdrowych osób jest co do zasady wolny od potencjalnie patogennych bakterii. Drobnoustroje chorobotwórcze pochodzą zwykle z własnej flory bakteryjnej przewodu pokarmowego, a zakażenie ma charakter wstępujący przez cewkę moczową. Z anatomicznego punktu widzenia kobiety są bardziej narażone na ZUM ze względu na niewielką długość cewki moczowej oraz jej bezpośrednie sąsiedztwo z przedsionkiem pochwy i okolicą krocza.

Każda patologia anatomiczna lub czynnościowa upośledzająca odpływ moczu i tym samym fizyczne usuwanie bakterii zwiększa ryzyko ZUM. Najczęściej opisana sytuacja występuje u pacjentów z przeszkodą podpęcherzową, neurogennymi zaburzeniami pęcherza moczowego czy zaburzeniami odpływu moczu z górnych dróg moczowych. Innym zjawiskiem jest odpływ pęcherzowo- moczowodowy, w przebiegu którego ułatwione jest wstępowanie patogenów do górnych dróg moczowych, zwiększając ryzyko rozwoju odmiedniczkowego zapalenia nerek. Kolejnym niezależnym czynnikiem ryzyka są ciała obce w drogach moczowych, spośród których największą grupę stanowią cewniki pęcherzowe. Ich kolonizacja zwiększa ryzyko zakażenia dróg moczowych.

Odpowiedź immunologiczna w ZUM

Mechanizmy ochronne w układzie moczowym są związane z odpornością wrodzoną. O ile nabyta odpowiedź immunologiczna związana z aktywacją limfocytów T i B oraz z wytworzeniem swoistych przeciwciał także występuje w przebiegu ZUM, o tyle jej znaczenie w zwalczaniu ostrej infekcji jest zdecydowanie mniejsze.

Pierwszym krokiem w rozwoju ZUM jest przyleganie uropatogenu do powierzchni komórek urotelium. W odpowiedzi na kontakt z bakterią uruchomione zostają szlaki sygnałowe prowadzące do włączenia transkrypcji odpowiednich genów prozapalnych oraz sekrecji białek efektorowych. Spośród receptorów zlokalizowanych na powierzchni komórek największe znaczenie dla wrodzonych mechanizmów odpornościowych mają receptory z rodziny toll-like (TLR). W zwykłych warunkach transmisja sygnału z receptora TLR4 w odpowiedzi na rozpoznanie bakteryjnego LPS zachodzi przy współudziale koreceptora CD14. Jednak w drogach moczowych transmisja przebiega nieco inaczej z uwagi na brak białka CD14. W komórkach nabłonka dróg moczowych aktywacja TLR4 jest wtórna do aktywacji receptorów swoistych dla fimbrii typu 1 i fimbrii P.

Po aktywacji TLR4 przepływ informacji zachodzi poprzez różne szlaki sygnałowe, w efekcie powodując sekrecję cytokin i chemokin, między innymi interleukiny 6 (IL-6) i interleukiny 8 (IL-8), a także różnych peptydów o działaniu przeciwbakteryjnym. IL-6 jest białkiem ostrej fazy o wielokierunkowym działaniu promującym stan zapalny, natomiast IL-8 ma silne działanie chemotaktyczne, zapewniające rekrutację neutrofili do miejsca infekcji. Mechanizm działania IL-8 opiera się na interakcji z receptorami CXCR1 i CXCR2, która zapewnia migrację granulocytów zgodnie z rosnącym gradientem stężenia cytokiny. Efektem tego procesu jest zniszczenie i fagocytoza drobnoustroju.

W odróżnieniu od ostrego zakażenia, u pacjentów z bezobjawową bakteriurią nie następuje aktywacja mechanizmów prozapalnych, mimo często intensywnego wzrostu bakterii. Wydaje się, że rozwój lub brak rozwoju odpowiedzi jest determinowany przez właściwości immunomodulujące drobnoustroju. W przypadku ABU symbioza bakterii i gospodarza opiera się na zasadach quasi-komensalizmu, działając ochronnie dla obu stron.

Zmienność wrodzonej odpowiedzi immunologicznej i jej tło genetyczne

W praktyce klinicznej można zaobserwować różnego stopnia skłonność do objawowych ZUM zarówno wśród osób z dysfunkcją, jak i bez dysfunkcji dróg moczowych. Takie zróżnicowanie nasuwa podejrzenie genetycznego tła predyspozycji do rozwoju ZUM.

Kluczowe znaczenie receptora TLR4 w przebiegu ZUM zostało odkryte w pracach na modelu zwierzęcym. Transgeniczne myszy pozbawione receptora TLR4 po wprowadzeniu UPEC do dróg moczowych nie wykazywały ZUM, ale rozwijały bezobjawową bakteriurię. Co więcej, badania z udziałem ludzi potwierdziły rolę TLR4. Wśród pacjentów pediatrycznych z polimorfizmem w zakresie genu TLR4, u których funkcja receptora jest upośledzona, znacznie częściej występuje bezobjawowa bakteriuria. Wiadomo również, że wśród tych pacjentów występuje zróżnicowanie nasilenia odpowiedzi zapalnej w zależności od wariantu receptora. Powyższe dane wskazują na genetyczną predyspozycję warunkującą odpowiedź na obecność bakterii w układzie moczowym.

Kolejnym przykładem roli polimorfizmu genetycznego w modulacji przebiegu ZUM jest skłonność do nawrotów ZUM oraz bliznowacenia nerek. U pacjentów z objawową infekcją występuje silna korelacja między stężeniem IL-8 a liczbą granulocytów w drogach moczowych. Z kolei stopień ekspresji CXCR1 jest osobniczo zmienny. Wykazano, że niska ekspresja receptora może być czynnikiem ryzyka rozwoju odmiedniczkowego zapalenia nerek. Potwierdzeniem tej tezy było badanie, w którym potwierdzono związek między skłonnością do rozwoju infekcji górnych dróg moczowych a obecnością polimorfizmu genetycznego CXCR1.

Wnioski

Ciężkość przebiegu zakażeń układu moczowego jest wypadkową równowagi między czynnikami wirulencji drobnoustrojów oraz aktywności układu odpornościowego gospodarza. Zjadliwość bakterii jest determinowana przez zestaw czynników ułatwiających przeżycie bakterii i warunkujących zdolność do uszkodzenia tkanek. Ochrona przeciwbakteryjna dróg moczowych jest w głównej mierze oparta na mechanizmach nieswoistych wrodzonej odporności.

Osobnicza podatność na objawowe zakażenia jest warunkowana genetycznie, głównie poprzez polimorfizm genów kodujących receptory TLR4 i CXCR1. Aktywność i poziom ekspresji wymienionych cząsteczek regulują sposób i natężenie odpowiedzi zapalnej. Wydaje się, że w przyszłości możliwe będzie dopasowanie metod diagnostycznych i terapeutycznych w zależności od indywidualnej wrażliwości pacjenta.

W okresie rosnącej oporności na antybiotyki i rozwoju szczepów wielolekoopornych zrozumienie procesów występujących w przebiegu zakażenia układu moczowego i zmiennych warunkujących jego przebieg staje się niezbędne dla każdego urologa. Taka postawa ma szanse zwiększyć skuteczność kliniczną leczenia poszczególnych chorych.

Oprac.: lek.Tomasz Piecha
Katedra i Klinika Urologii Ogólnej, Onkologicznej i Czynnościowej
Warszawski Uniwersytet Medyczny
kierownik kliniki: prof. dr hab. n. med. Piotr Radziszewski